Российские ученые создали уникальное оптоволокно, сохраняющее свойствa светa

Ученые из МФТИ и ИРЭ РАН совместно с коллегами из Финляндии создали оптоволокно с экстремально большим размером сердцевины, сохраняющее когерентные свойства света. Данная разработка найдет применение при конструировании мощных импульсных оптоволоконных лазеров и усилителей, а также поляризационных сенсоров.

Вопрос сохранения характеристик света является краеугольным камнем, когда речь заходит об использовании оптоволокна. Существует два основных параметра, которые в ряде приложений необходимо сохранять: распределение интенсивности в поперечном сечении и поляризацию (характеристику направления колебания электрического или магнитного поля в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны). В своей работе исследователям удалось добиться выполнения обоих этих условий. Соответствующая статья была опубликована в «Optics Express».

«Исследование оптических волокон — одна из наиболее бурно развивающихся областей в оптике. За последнее десятилетие было придумано и осуществлено множество технологических решений. Так сегодня в Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН мы можем создавать нити оптоволокна почти любой толщины с произвольной поперечной структурой.

 В данной работе внутри оптоволокна была создана строго определенная структура, различная по двум перпендикулярным осям, причем размеры этой структуры пропорционально изменяются по длине волокна. Такие решения по отдельности уже нашли широкое применение в производстве, и потому крайне важно продолжать разработки в этом направлении», — говорит один из соавторов, сотрудник ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, РКЦ и преподаватель МФТИ Василий Устимчик.

Оптоволокно представляет из себя вытянутую нить из стекла или прозрачного для света пластика. На первый взгляд это довольно простая система, однако на практике возникает ряд серьезных проблем, ограничивающих его применение. 

Первой проблемой являлось затухание сигнала в оптических линиях. Решение было придумано уже довольно давно, что позволило создавать оптоволоконную связь. Но связь — не единственная область, где можно и нужно использовать оптические волокна. Так на сегодняшний день одним из наиболее распространенных типов лазеров являются волоконные лазеры. В них, как и в других видах лазеров, есть резонатор — среда, которую свет многократно проходит в обоих направлениях.

 Ввиду геометрических параметров волоконного резонатора, пучок света на выходе может иметь лишь ряд строго определенных форм поперечного распределения интенсивности излучения, так называемых поперечных мод резонатора (рисунок 1). 

Естественным желанием является контролировать модовый состав света, причем на практике чаще всего ученые и инженеры желают получить лишь одну чистую фундаментальную моду (верхний левый угол рисунка 1), не изменяющуюся со временем.

Поперечное распределение интенсивности оптического излучения в модах оптического волокна

Для поддержки одномодового режима работы, волокно должно состоять из сердечника и оболочки — материалов с разными показателями преломления, причем толщина внутренней части, по которой распространяется излучение, составляет, как правило, менее 10 микрометров.

При увеличении оптической мощности света, распространяющегося по волокну, растет и количество поглощаемой энергии, что приводит к изменению характеристик волокна, а именно, например, происходит неконтролируемое изменение показателя преломления в материале, из которого волокно изготовлено. 

Эти эффекты приводят к тому, что возникают паразитные нелинейные эффекты, дополнительные спектральные линии излучения и т. д, что в значительной степени ограничивает мощность передаваемых сигналов. Решением этой проблемы, которое использовали и авторы данной статьи, является вариация диаметра сердцевины и оболочки вдоль длины волокна (рисунок 2).

Диаметр внешней оболочки (по левой оси) и сердцевины (по правой оси) вдоль длины образцов. Фотография анизотропной поперечной структуры оптоволокна, состоящей из сердцевины, эллиптической первой оболочки и внешней оболочки (на нижнем графике)

При условии, что расширение волокна происходит адиабатическим образом, то есть достаточно медленно, можно сократить долю перекачиваемой в другие моды энергии до уровня ниже одного процента, даже при условии, что диаметр сердцевины волокна может достигать 100 мкм, что является очень большим размером для одномодовых волокон. При этом большой диаметр сердцевины и его нерегулярность по длине волокна увеличивают порог возникновения нелинейных эффектов.

Для решения второй задачи — сохранения поляризации, авторы сделали оболочку волокна анизотропной: внутренняя часть оболочки имеет различную ширину и высоту (имеет эллиптическую форму), что приводит к тому что скорость распространения света с различным направлением колебаний поля отличается. 

Процесс перекачки из одной поляризационной моды в другую при такой структуре волокна практически сходит на нет. В работе ученые показали, что длина пути света через волокно, при которой колебания разных поляризаций оказываются в противофазе — так называемая длина поляризационных биений — зависит от диаметра, и чем диаметр больше, тем меньше эта длина. 

Данная длина соответствует полному обороту состояния поляризации внутри волокна. То есть при вводе линейно поляризованного света в волокно, свет станет снова линейно поляризованным после прохождения именно этой длины по оптическому волокну. Возможность измерения данного параметра само по себе является свидетельством сохранения поляризации в волокне.

Длина поляризационных биений (фиолетовая линия по левой оси) и диаметр внешней оболочки (красная линия по правой оси) вдоль длины образцов

Для исследования свойств, связанных с поляризацией света в волокне, использовались методы когерентной рефлектометрии в частотной области. Суть метода состоит в том, чтобы завести в волокно определенный световой сигнал и затем детектировать сигнал, рассеянный в материале оптоволокна в обратном направлении.

 Из отраженного сигнала можно извлечь значительное количество информации. Обычно данный метод используется для определения расположения дефектов и примесей внутри оптических волокон, но также он применим, для определения длины когерентности излучения и пространственного распределения длин поляризационных биений.

 Методы когерентной рефлектометрии широко применяется в индустрии для мониторинга состояния оптоволоконных линий. Однако характерной особенностью используемого метода является высокая разрешающая способность, с которой возможно осуществлять сбор данных, она составляет 20 микрометров вдоль длины волокна.

Заведующий специализацией кафедры Твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий МФТИ, член-корреспондент РАН, профессор, директор ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН Сергей Никитов, руководитель исследования, прокомментировал: «Созданные образцы оптоволокна продемонстрировали высокие результаты, что показывает возможность для дальнейшего развития подобных технологических решений.

 Они найдут применение не только в лазерных системах, но в волоконных датчиках — инструментах, в которых изменение поляризационных характеристик заранее известно в зависимости от внешних условий, таких как, например, температура, давление, биологические и другие примеси. Эти датчики в отличие от полупроводниковых имеют ряд преимуществ — не нуждаются в электропитании, могут проводить распределенное детектирование и имеют еще некоторые преимущества».

link